способ приготовления сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений из навоза и экскрементов животных и птицы и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ приготовления сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений из навоза, экскрементов животных и птицы и из различных сбраживаемых органических отходов, включающий их обезвоживание в вакууме при подогреве, конденсирование пара и использование тепла конденсата, отличающийся тем, что навоз, экскременты животных и птицы и различные сбраживаемые органические отходы перед их обезвоживанием в вакууме измельчают с последовательным разжижением и смешиванием, нагревают, анаэробно сбраживают, а сброженную массу разделяют на жидкую и полужидкую или на жидкую и сыпучую фазы, жидкой из которых разжижают и обсеменяют находящимися в ней сбраживающими микроорганизмами измельченные навоз, экскременты и органические отходы перед их нагревом и анаэробным сбраживанием, тогда как полужидкую и сыпучую фазы частично или полностью обезвоживают в вакууме, а необезвоживаемые части полужидкой и сыпучей фаз используют на удобрение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев свежего измельченного и разжиженного исходного сырья в виде пульпы осуществляют в обособленных взаимодействующих теплообменниках как теплом выводимой из метантенка нагретой сброженной массы, так и теплом конденсата вакуумной установки при ее работе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вырабатываемый при анаэробном сбраживании навоза, экскрементов животных и птицы с добавляемыми органическими отходами или без них горючий биогаз используют для подогрева обезвоживаемых в вакууме полужидкой или сыпучей фаз, выделенных при разделении анаэробно сброженной массы.

4. Устройство для приготовления сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений из навоза и экскрементов животных и птицы с добавляемыми органическими отходами или без них, содержащее вакуумную установку с вакуумным объемом, рабочими органами для размещения и нагрева высушиваемого вещества, конденсатором пара со сборником конденсата, сообщающихся с источником вакуума, отличающееся тем, что вакуумная установка выполнена с присоединенной к ней установкой для анаэробного сбраживания органических отходов с выработкой из них горючего биогаза - в виде поточной технологической линии функционально взаимодействующего оборудования, включающей приемник-смеситель навоза, экскрементов и органических отходов с измельчителем, теплообменники, метантенк, газгольдер, газоочиститель, разделитель анаэробно сброженной массы на фазы, вакуумный испаритель, конденсатор, вакуумный насос и газовый водонагреватель.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве разделителя анаэробно сброженной массы на фазы может быть использован гидроциклон, или центрифуга, или сепаратор, или фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к переработке отходов животноводческих и птицеводческих хозяйств с приготовлением из них высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян сорняков сухих и полужидких органических удобрений с выработкой и использованием в хозяйстве горючего биогаза.

Известен способ и устройство переработки осадков сточных вод с получением дегельментизированного сухого продукта, согласно которому сырой осадок стоков влажностью 93-95% сгущают центрифугой и высушивают под вакуумом до 30-40% влажности, что реализуется устройством, содержащим батарею из поочередно включаемых подогреваемых цилиндрических роторных /грибковых/ вакуум-сушилок, охлаждаемый проточной водой барометрический конденсатор, вакуумный насос и центрифугу, расходуя при этом 560 ккал на 1 кг испаряемой влаги и 4-6 кВтч электроэнергии на 1 м³ исходного осадка /См. справочник проектировщика - "Канализация населенных мест и промышленных предприятий", издание 2, Москва, Стройиздат, 1981 г., стр. 348-351, рис.38.6. и 38.7./

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является то, что они не могут быть использованы для переработки навоза и экскрементов животных и птицы из-за содержания в их составе слипающихся белковых веществ осаждающихся на нагреваемых внутренних поверхностях и рабочих органах оборудования и трубопроводов, закупоривая их нарастающим плотным слоем твердеющей белковой массы, а также значительным удельным расходом тепла и электроэнергии на 1 кг испаряемой влаги.

Известны и другие способ низкотемпературного обезвоживания веществ в вакууме и устройство для его осуществления по патенту РФ №2134854 /F 26 B 5/06/, согласно которым предусмотрен пропорциональный подвод мощности массе испаряемой воды при постоянной температуре обрабатываемого продукта с последующим использованием тепла конденсата на подогрев исходного вещества, тогда как осуществляющее способ устройство представляет собой вакуумную установку, которая содержит размещенный в вакуумном объеме перемещаемый лотковый держатель исходного вещества с расположенным на держателе внутри исходного вещества теплообменника для нагрева теплом конденсата, нагреватели над и под держателем исходного вещества, конденсационные панели со сборником конденсата и присоединительный патрубок к вакуумной системе.

Недостатком этого известного способа по патенту РФ №2134854 и выполняющего устройства, для его осуществления, является то, что они не могут быть использованы для обезвоживания веществ с содержанием в их составе белковых веществ слипающихся и карамелизирующихся при нагреве, каковыми являются навоз и экскременты животных и птицы, активная адгезия которых имеет место к поверхностям рабочих органов с комкованием, карамелизацией и оплавлением с уплотнением внешней поверхности обезвоживаемой массы под воздействием тепла нагревателя.

Вместе с тем по своей технической сущности и достигаемому результату известные по патенту РФ №2134854 способ низкотемпературного обезвоживания веществ в вакууме и устройство для его осуществления являются наиболее близкими к изобретению.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа приготовления сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений из навоза и экскрементов животных и птицы и из различных сбраживаемых органических отходов и устройства для его осуществления, которые устраняли бы приведенные выше недостатки способа и устройства для его осуществления по патенту РФ №2134854, исключили бы адгезию экскрементов и навоза к оборудованию, карамелизацию и оплавление поверхностного слоя обезвоживаемой вакуумом массы, обеспечили бы повышение эффективности использования вакуумного обезвоживания навоза и экскрементов животных и птицы при приготовлении из них сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений со снижением энергозатрат.

Согласно изобретению поставленная задача в выполнении способа приготовления сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений из навоза, экскрементов животных и птицы и из различных сбраживаемых органических отходов достигается тем, что навоз, экскременты животных и птицы и различные сбраживаемые органические отходы перед их обезвоживанием в вакууме измельчают с последующим разжижением и смешиванием, нагревают, анаэробно сбраживают, а сброженную массу разделяют на жидкую и полужидкую или на жидкую и сыпучую фазы, жидкой из которых, разжижают и обсеменяют находящимися в ней сбраживаюшими микроорганизмами измельченные навоз, экскременты и органические отходы перед их нагревом и анаэробным сбраживанием, тогда как полужидкую и сыпучую фазы частично или полностью обезвоживают в вакууме, а необезвоживаемые части полужидкой и сыпучей фаз используют на удобрение. При этом нагрев свежего измельченного и разжиженного исходного сырья в виде пульпы осуществляют в обессоленных взаимодействующих теплообменниках как теплом выводимой из метантенка нагретой обложенной массы, так и теплом конденсата вакуумной установки при ее работе, а вырабатываемый при анаэробном сбраживании навоза, экскрементов животных и птицы с добавляемыми органическими отходами или без них горючий биогаз, - используют для подогрева обезвоживаемых в вакууме полужидкой или сыпучей фаз, выделенных при разделении анаэробно сброженной массы.

Достигается согласно изобретению поставленная задача и новым выполнением устройства для осуществления приведенного выше способа тем, что вакуумная установка выполнена с присоединенной к ней установкой для анаэробного сбраживания органических отходов с выработкой из них горючего биогаза - в виде поточной технологической линии функционально взаимодействующего оборудования, включающей приемник-смеситель навоза, экскрементов и органических отходов с измельчителем, теплообменники, метантенк, газгольдер, газоочиститель, разделитель анаэробно сброженной массы на фазы, вакуумный испаритель, конденсатор, вакуумный насос и газовый водонагреватель, тогда как в качестве разделителя анаэробно сброженной массы на фазы может быть использован гидроциклон или центрифуга, или сепаратор, или фильтр.

На чертежах схематично приведено устройство для осуществления способа приготовления сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений из навоза и экскрементов животных и птицы с добавлением к ним различных растительных органических отходов и с выработкой из них горючего биогаза, используемого в том числе и для нагрева обезвоживаемых в вакууме полужидкой или сыпучей фаз, выделенных при разделении анаэробно сброженной массы.

На фиг.1 показано устройство с использованием в качестве разделителя сброженной массы на фазы - гидроциклона, а на фиг.2 - центрифуги.

Соответственно применено вспомогательное оборудование.

На фиг.3 показан переключатель потоков в разных положениях.

Показанное на фиг.1 устройство, выполненное в виде поточной технологической линии, функционально взаимодействующего оборудования, состоит из: измельчителя 1, приемника-смесителя 2, теплообменников "труба в трубе" 4, 6 и 7, емкостного теплообменника 5, метантенка 8, газовых регуляторов 9, инжектора 10, мокрого проточного, сбраживаемой в метантенке 8 массой, - газгольдера 11, резервуара сброженной массы 12, гидроциклона 13, резервуара жидкой фазы 14, резервуара-теплообменника полужидкой фазы 15, газового водонагревателя 16, шнекового вакуумного испарителя 17, герметичного затвора-перегружателя 18, транспортера сухого удобрения с приемной емкостью или с упаковщиком сухого удобрения /на чертеже не показан/ 19, вакуумного конденсатора пара 20, вакуумного насоса 21, газоочистителя 22, хранилища полужидкого удобрения 23 и насосов 24-30.

Приведенные на чертежах /фиг.1 и 2/ соединяющие соответствующее оборудование трубопроводы жидких и полужидких масс, а также вакуумпроводов - показаны сплошными линиями, тогда как газопроводы - показаны пунктирными линиями.

Направления перемещаемых по трубопроводам и газопроводам сред - показаны стрелками, тогда как изменения направлений потоков и их останов обеспечивается показанными на фиг.3 поворотными переключателями потоков, устанавливаемых в местах соединения соответствующих трубопроводов, обозначенных на чертежах сплошными кружками.

Приведенное на фиг.2 устройство является одним из возможных вариантом его выполнения в зависимости от использования того или иного типа разделителя анаэробно сброженной в метантенке 8 массы и избранного назначения в применении получаемых при разделении и качественной оценки фаз. На фиг.2 приведен вариант в выполнении показанного на фиг.1 предлагаемого изобретением устройства, в котором в качестве разделителя анаэробно сброженной в метантенке 8 массы на фазы вместо гидроциклона 13 /фиг.1/ используется центрифуга 31, что обусловило применение реверсивного транспортера 32, сборника сыпучего удобрения 33 и шнека-теплообменника 34 вместо резервуара-теплообменника полужидкой фазы 15 на фиг.1. Состав и работа всего остального оборудования предлагаемого устройства, приведенного на фиг.1 и 2, полностью совпадают и имеют одинаковые номера их позиций на чертежах, тогда как другие вспомогательные трубопроводы, оборудование, приспособления, выполнение теплоизоляции, электросилового оборудования и приборов КИПА - на чертежах не показаны и их выполнение возможно во многих вариантах в зависимости от конкретных условий применения изобретения. Также не показаны на чертежах места размещения задвижек и регуляторов потоков.

Выполнение предлагаемого способа приготовления сухих и полужидких обеззараженных органических удобрений из навоза и экскрементов животных и птицы с добавлением к ним различных растительных органических отходов при выработке из них горючего биогаза, осуществляемых в двух приведенных выше на фиг.1 и 2 вариантах устройства с использованием в них в качестве разделителя сброженной в метантенке 8 массы на фазы гидроциклона 13 и центрифуги 31, возможно как при применении совместной работы установки анаэробного сбраживания органических отходов одновременно с установкой вакуумной сушки в единой поточной технологической линии, так и отдельно лишь одной установки анаэробного сбраживания самостоятельно. При работе устройства в составе двух установок в единой поточной технологической линии с использованием гидроциклона 13 /фиг.1/ - обеспечивается приготовление как сухого, так и полужидкого удобрения порознь или совместно, тогда как при отключении в этой единой поточной технологической линии установки вакуумной сушки - возможно приготовление только полужидкого удобрения. Использование предлагаемого устройства в составе двух указанных установок в единой поточной технологической линии с применением в качестве разделителя анаэробно сброженной в метантенке 8 центрифуги 31 /фиг.2/ - позволяет приготавливать из сброженной в метантенке 8 массы полужидкие, сыпучие и сухие удобрения, а при отключении в технологической линии установки вакуумной сушки - можно приготавливать только полужидкие и сыпучие удобрения.

Существенным в работе установки для анаэробного сбраживания органических отходов с выработкой из них горючего биогаза, является обеззараживание сбраживаемой массы от патогенных микроорганизмов, гельминтов, их яиц и семян сорняков, выработка гумуса.

Осуществление предлагаемого способа обеими вариантами приведенного выше и показанного на чертежах устройства /фиг.1 и 2/ выполняется следующим образом.

Навоз и экскременты животных и птицы с содержанием в их составе подстилочные материалы, пух и перо птицы, кормовые объедья и различные растительные органические отходы, - совместно или порознь, непрерывно или несколько раз в сутки подают в измельчитель 1 с последующим разжижением и обсеменением сбраживающими микроорганизмами измельченного сырья в приемнике-смесителе 2 жидкой фазой анаэробно сброженной массы, подаваемой в приемник-смеситель 2 насосом 27 из резервуара жидкой фазы 14 /Первоначальное разжижение измельченного сырья может быть осуществлено водой с добавлением бесподстилочного навоза крупного рогатого скота/. Измельченное сырье и жидкую фазу перемешивают в приемнике-смесителе 2 насосом 3 с доведением полученной пульпы до влажности 91-92% с последующей ее подачей насосом 3 через теплообменники 4 и 5 в метантенк 8. При периодическом поступлении сырья в приемник-смеситель 2 от животных и птицы из мест их содержания один-два или несколько раз в сутки и обеспечения при этом непрерывной и равномерной подачи приготовляемой в приемнике-смесителе 2 пульпы через теплообменники 4 и 5 в метантенк 8 - резервуар приемника-смесителя 2 выполняют объемом не менее 1,5 объема суточного количества загружаемой в метантенк 8 из приемника-смесителя 2 пульпы.

Количество ежесуточной дозы загрузки метантенка 8 свежей пульпой устанавливается технологическим регламентом анаэробного сбраживания исходя из состава пульпы, ее влажности и температуры сбраживания. Ориентировочно эта доза назначается от 5 до 18% емкости метантенка.

Прокачиваемая насосом 3 через теплообменник 4 пульпа нагревается теплом постоянно циркулирующей воды охлаждения вакуумного конденсатора 20, возвращаясь охлажденной в теплообменнике 4 насосом 24 в вакуумный конденсатор 20, где вновь нагревается при конденсации пара.

Одновременно с вводом в метантенк 8 свежей нагретой в теплообменниках 4 и 5 пульпы, из метантенка 8 в теплообменник 5 противотоком выводится нагретая в метантенке 8 сброженная масса, отдавая свое тепло свежей пульпе и поступающая несколько охлажденной в проточный газгольдер 11, исключая при этом необходимость его обогрева зимой при достаточно эффективной теплоизоляции. Частично охлажденная зимой в газгольдере 11 сброженная в метантенке 8 масса перетекает в буферный накопительный резервуар сброженной массы 12, из которого насосом 26 вводится в гидроциклон 13 /фиг.1/ или может поступать в хранилище 23 или на поля.

Вводимая в гидроциклон 13 сброженная в метантенке 8 масса разделяется на жидкую фазу влажностью 97-98%, поступающую в буферный накопительный резервуар жидкой фазы 14, и на полужидкую фазу влажностью 78-82%, поступающую в резервуар-теплообменник 15, где подогревается теплом конденсата, поступающего из вакуумного конденсатора 20. Излишки охлажденного в резервуаре-теплообменнике 15 конденсата перетекают в резервуар 14 или в качестве технической воды могут использоваться различные нужды хозяйства.

Подогретая в резервуаре-теплообменнике 15 полужидкая фаза насосом 28 через теплообменник 7 подается в подогреваемый вакуумный испаритель 17, образуемый пар из которого отсасывается через вакуумный конденсатор 20 вакуумным насосом 21. Подогрев вакуумного испарителя 17 совместно с теплообменником 7 обеспечивается газовым водонагревателем 16 прокачкой насосом 29 нагреваемой воды по замкнутому контуру при автоматическом регулировании эффективной температуры испарения влаги из полужидкой фазы анаэробно сброженной в метантенке 8 массы. Отсасываемый из испарителя 17 вакуумным насосом 21 пар нагревает в вакуумном конденсаторе 20 охлаждающую его воду, которая передает свое тепло последовательно теплообменникам 6 и 4 и охлажденная насосом 24 по замкнутому циркулирующему контуру поступает вновь в вакуумный конденсатор 20 для его охлаждения. При прокачке нагретой в вакуумном конденсаторе 20 охлаждающей воды через теплообменник 6 производится нагрев сбраживаемой в метантенке 8 массы путем забора ее из метантенка 8 насосом 25 с введением вновь в метантенк 8 после нагрева в теплообменнике 6 и пропуска через инжектор 10 образующим газожидкостную смесь перемешивания сбраживаемой в метантенке 8 массы.

Высушенная в вакуумном испарителе 17 полужидкая фаза сброженной в метантенке 8 массы до сухого состояния влажностью 10-15% выгружается через герметичный затвор-выгружатель 18 на транспортер сухого удобрения 19 с приемной емкостью или в упаковщик.

При отключении в показанном на фиг.1 устройстве вакуумной установки /позиции 7, 17-21/, поступающая из гидроциклона 13 в резервуар-теплообменник 15 полужидкая фаза сброженной в метантенке 8 массы без подогрева насосом 28, при повороте соответствующих переключателей потоков, показанных на фиг.3, подается в хранилище полужидкого удобрения 23 или на поля. Нагрев поступающей в метантенк 8 свежей пульпы и всей сбраживаемой в метантенке 8 массы при отключении вакуумной установки обеспечивает газовый водонагреватель 16, через который посредством использования соответствующих переключателей потоков насосом 29 по замкнутому контуру через теплообменники 6 и 4 циркулирует греющая вода автоматически регулируемой температуры. Остальной режим работы установки анаэробного сбраживания сохраняется как и при ее работе в составе двух установок в единой поточной технологической линии.

Выполнение предлагаемого способа в варианте использования устройства с применением в качестве разделителя сброженной в метантенке 8 массы на фазы центрифуги /фиг.2/ полностью совпадает до ввода сброженной массы насосом 26 в центрифугу 31, которая, в отличии от гидроциклона 13 /фиг.1/, разделяет сброженную в метантенке 8 массу на жидкую фазу влажностью 97-98% и на сыпучую фазу влажностью 65-68%. Выгрузка сыпучей фазы из центрифуги 31 на реверсивный транспортер 32 позволяет подавать ее либо в сборник сыпучего удобрения 33, либо в шнек-теплообменник 34, обогреваемый теплом конденсата из вакуумного конденсатора 20. Нагретая в шнеке-теплообменнике 34 сыпучая фаза анаэробно сброженной массы поступает в обогреваемый вакуумный испаритель 17 защищаемый загрузочно-разгрузочными затворами 18. Высушенная до сухого состояния сыпучая фаза влажностью 10-15% выгружается на транспортер сухого удобрения 19 с приемной емкостью или в упаковщик /на чертеже не показан/.

Выгрузка реверсивным транспортером 32 сыпучей фазы сброженной массы в сборник сыпучего удобрения 33 выключает из работы предлагаемого устройства вакуумную установку /позиции 34, 17-21/, обеспечивая при этом самостоятельную работу установки анаэробного сбраживания органических отходов аналогичной работе описанного выше режима работы предыдущего варианта выполнения предлагаемого устройства /фиг.1/ при отключении вакуумной установки в единой поточной технологической линии функционально взаимодействующего оборудования.

Проведенные испытания установки анаэробного сбраживания органических отходов по сбраживанию помета кур влажностью 70-71% при клеточном их содержании с наличием пера и пуха в его составе при последующем разбавлении и обсеменении рециркулируемой жидкой фазой сброженной массы влажностью 97,5% и приготовлением из них пульпы влажностью 91,5%, позволило получать из каждой тонны исходного помета без добавления какой-либо органики до 79 кубометров биогаза калорийностью 23900 кДж/5710 ккал/ его кубометра с содержанием 72% метана и 28% углекислоты, на котором при его сжатии до 15 МПа были проведены лабораторные и дорожные испытания на экспериментальном газобаллонном автомобиле "Москвич 2140", оборудованном штатной топливной аппаратурой, рассчитанной на использование природного газа.

Разделение сброженной в метантенке 8 пометной пульпы влажностью 93,8% на фазы с использованием гидроциклона 13 позволило получать жидкую фазу, обсемененную сбраживающими микроорганизмами, влажностью 97,5% и полужидкую фазу - влажностью 79,6%, тогда как при разделении этой же сброженной массы влажностью 93,8% на фазы центрифугой 31 влажность жидкой фазы была 97,7%, а влажность сыпучей фазы - 66,1%.

При испытании установки анаэробного сбраживания органических отходов по сбраживанию обладающего высокой адгезией и содержащего белки, жиры и углеводы помета кур клеточного содержания было выявлено, что при разделении анаэробно сброженного в метантенке помета кур на фазы гидроциклоном и центрифугой в продуктах разделения отсутствует адгезия. Осмотр гидроциклона и центрифуги показали после их освобождения от разделяемой массы, что внутренние их поверхности и рабочие органы чисты и не требуют какой-либо промывки, тогда как ни полужидкая, ни сыпучая фазы не показали способности при их нагревании к слипанию, комкованию и корамелизации.

Применение предлагаемого изобретения способа и устройства для его осуществления в животноводческих и птицеводческих хозяйствах позволит им наиболее рационально использовать постоянно образующиеся у них различные отходы при выработке горючего биогаза, на энергетические потребности и высококачественных обеззараженных органических удобрений различной влажности с возможностью их использования как на своих полях, так и в качестве товарной продукции в сухом виде эффективно транспортабельном на значительные расстояния. Из тонны свежего помета кур влажностью 70% согласно изобретению приготавливают 260 кг сухого удобрения влажностью 10% с содержанием в его составе до 95% питательных веществ от их наличия в исходном свежем помете и до 30 кубометров товарного биогаза, равного по тепловой энергии 15 литрам дизельного топлива.